黄土隧道设计施工难点.ppt

铁道第一勘察设计院,大跨黄土隧道设计与施工技术,一、黄土的分布及基本特征二、黄土隧道的变形特征三、黄土隧道的围岩压力四、以往黄土隧道的设计、施工、坍塌、病害情况五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见六、大跨黄土安全施工对策,随着我国国民经济的发展，目前铁路进入新一轮建设高潮，根据中长期铁路网规划，到2020年全国铁路运营里程达到10万公里，初步统计，客运专线隧道将超过1000Km。其中郑西、西兰、太中银、包西等线黄土隧道占很大比例，其最大开挖断面达160m2左右，为特大断面隧道，而我们仅有一些常规铁路单双线（或公路）隧道的设计和施工经验，设计、施工和科研面临巨大的难题，需建管、设计、施工、科研单位共同努力，协同攻关。现结合以往铁路、公路黄土隧道经验谈谈自己对大跨黄土隧道设计施工的初步意见，达到抛砖引玉的目的。,一、黄土的分布及基本特征,我国黄土的分布面积63.5万km2，约占全国陆地面积的6.6，主要分布在我国西北、华北等地。我国黄土以分布广、厚度大、地层层序完整、古土壤清楚而著称于世，黄土的地层一般可分为二大组。,一、黄土的分布及基本特征,1、老黄土(Q1、Q2)：其大孔结构多经压密，一般不具湿陷性，土的承载力较高。主要分布在陕甘黄土高原，覆盖在第三纪红土层或基岩上。2、新黄土（Q3、Q4)：广泛覆盖在老黄土之上，质地均匀，具有多孔性，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散结构状态，密度低，在北方各地分布很广，与工程建设关系密切，一般都具有湿陷性。,一、黄土的分布及基本特征,基本特征：黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊土，基本色调是黄色；颗粒成分以粉粒（颗粒直径为0.0750.005mm）为主，约占5075，几乎没有大于0.25mm的颗粒；一般无明显层理，有堆积间断的剥蚀面和埋藏的古土壤层；具柱状节理，垂直节理发育，直立性强(C、水平、垂直差异）；表层多具湿陷性，易产生潜蚀，形成陷穴。,各地区黄土的总厚度不一。一般来说，高原地区较厚，而以陕甘黄土高原最厚，达100200m，而其他高原地区一般只有30100m。河谷地区的黄土总厚度一般只有几米到30m。,郑西客专黄土物理力学参数表,二、黄土隧道的变形特征,（一）新黄土隧道 新黄土（Q3、Q4)大孔发育，具垂直节理，土质结构松散稍密中密，含水量较小，一般515，易产生天生桥和陷穴，覆盖于地表,厚度一般3050m。由于其垂直节理发育，在垂直节理面上因节理切割形成竖向软弱面，软弱面之间粘聚力(C)很小，多个软弱面互相切割,形成与周边围岩粘聚力很小的棱体，在下部开挖隧道时形成临空面，受开挖扰动和支护缺陷，在重力的作用下棱体塌落形成塌方。根据对其变形分析,在新黄土（Q3、Q4)地层，正常情况下围岩变形小。在破坏时围岩变形释放快、具突然性，属脆性破坏，故要强调变形的控制。,二、黄土隧道的变形特征,二、黄土隧道的变形特征,侯月线百家垣隧道地表、拱顶下沉位移图，反映了该隧道衬砌前的最大沉降值。,二、黄土隧道的变形特征,宝兰二线码头隧道双层复合式衬砌试验断面水平收敛位移图，反映了该隧道衬砌前水平收敛已趋稳定。,（二）老黄土隧道 一般覆于新黄土之下，埋深较大，含水量为1540。与隧道位置原始地应力相比，其围岩强度低，围岩容易发生屈服形成塑性区，这时的变形为塑性变形，可进行柔性支护和适度释放变形，但若无支撑或支护强度不足围岩蠕变过大，会脱落形成塌方。因其为塑性变形，初期支护的变形有一个发展过程，故变形规律可采用监控量测手段监控。,二、黄土隧道的变形特征,二、黄土隧道的变形特征,宝中线大寨岭隧道水平收敛位移图，反映了该隧道水平收敛呈继续发展趋势。,二、黄土隧道的变形特征,宝中线大寨岭隧道水平收敛位移图，它反映了该隧道在调整支护参数后水平收敛、拱顶下沉已趋稳定。,深埋老黄土隧道其变形具蠕变特性，它有一个发展过程，若监控量测位移不收敛，应加强初期支护或调整施工方法或及时施做二次衬砌。对老黄土隧道而言含水量的大小对施工的影响很大，直接影响围岩稳定、开挖安全、初期支护稳定、二次衬砌变形。,三、黄土隧道的围岩压力,三、黄土隧道的围岩压力,（一）深浅埋隧道的划分 铁路隧道设计规范(TB10003-2005)中关于深浅埋隧道的划分标准，其覆盖厚度按塌方高度的2.5倍确定的。,三、黄土隧道的围岩压力,浅埋隧道覆盖厚度值（m）,三、黄土隧道的围岩压力,铁路工程设计技术手册依据调查和统计资料，对深埋和浅埋黄土隧道的分界深度,单线隧道为15-25m，双线隧道为20-50m。,三、黄土隧道的围岩压力,黄土隧道的深浅埋分界与黄土的特性如粘粒的含量（局域性）、含水量等及与隧道的跨度有关，对新黄土而言，其覆盖厚度一般为3050m，深浅埋分界目前可按4050m为宜，若太大依据不足。,三、黄土隧道的围岩压力,三、黄土隧道的围岩压力,（二）围岩压力的确定 1、新黄土隧道 根据对新黄土地层变形分析，隧道在开挖后，浅埋黄土地表会形成沉降槽，但沉降过大时，沉降体延垂直节理面滑错，使隧道结构承担上部全部土体重量。目前对浅埋（含偏压）黄土隧道围岩压力的确定，采用谢家休公式进行计算，其属于松弛压力概念。,三、黄土隧道的围岩压力,2、老黄土隧道 一般覆于新黄土之下，埋深较大，含水量为1540。当隧道开挖后施做初期支护后，围岩发生塑性并形成塑性区，在初支有效约束围岩变形的情况下，来自围岩的压力传递至初支再作用于衬砌结构，这时对结构形成形变压力。若围岩塑性变形过大或开挖、支护缺陷，使岩体持续变形，则造成松弛岩体延节理面脱落形成塌方。结构承担荷载由形变压力转变为松弛压力。故对深埋黄土隧道应重视形变压力的同时，应强调松弛压力概念，应采用塌方高度作为围岩的垂直荷载进行结构分析。,侯月线百家垣隧道双线老黄土试验（隧道跨度12.2m）径向压力分布图,从图可以看出,拱腰和拱脚的压力大于拱顶压力，侧压力系数接近1。,三、黄土隧道的围岩压力,径向压力分布图(MPa),宝兰二线码头双线隧道双层复合式衬砌试验（隧道跨度11.9m，面积113m2）径向压力分布图,从图可以看出,围岩与第一层衬砌之间的压应力要大于两层模筑衬砌之间的压应力，说明第一层衬砌主要承担围岩压力；拱腰和拱脚的压力大于拱顶压力，侧压力系数大于1。,三、黄土隧道的围岩压力,径向压力分布图(MPa),宝兰二线码头双线隧道双层复合式衬砌试验（隧道跨度11.9m，面积113m2）压应力时间曲线(MPa)，从图中看出，前20天围岩压力变化明显，以后渐趋稳定。,三、黄土隧道的围岩压力,压应力时间曲线(MPa),新庄岭公路隧道（开挖面积106m2）压力分布图(MPa)，从图可以看出,拱腰和拱脚的压力大于拱顶压力，与铁路科研结论一致。,三、黄土隧道的围岩压力,新庄岭公路隧道压力分布图(KPa),四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,（一）黄土隧道科研、设计、施工简况 在以往铁路大线中，如宝中线、侯月、神延线、宝兰线，黄土隧道的设计采用锚喷支护、模筑衬砌或复合式衬砌结构形式，一般双线隧道采用台阶法（拱部留核心土弧形开挖）施工，情况复杂时采用分部施工方法，如宝兰二线曲儿岔隧道（双线，面积120m2）在下穿既有线时采用CRD法施工。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,1、黄土隧道科研简况 在以往各铁路大线中，铁一院自七十年代开始主持了部内全部的与黄土有关的科研项目：1）崾岘河黄土隧道试验（79年），在崾岘河隧道（单线）开展的黄土隧道试验研究工作的基础上，编制了单线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞门（壹隧0042）部参考图。2）在宝中线大寨岭隧道开展了新奥法的施工验证试验（93年），据此，在黄土隧道中采用新奥法原理进行设计和施工得以推广。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,3）在宝中线老头沟隧道开展了黄土偏压单线铁路隧道受力特性及设计施工技术。4）在侯月线百家垣隧道（双线）开展了黄土隧道试验研究工作，课题名称：双线铁路老黄土隧道衬砌设计与施工研究试验，并据此编制了双线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞门（壹隧0053）部参考图。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,5）在神延线针对本线隧道黄土的特性，开展了土质隧道衬砌断面优化设计研究工程试验项目，并在部分深埋黄土隧道中采用了优化后的衬砌断面。6）在神延线宋家坪隧道浅埋偏压新黄土段开展了水平旋喷预支护技术研究工程试验项目。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,7）在宝兰二线码头隧道（双线）双层模筑复合式衬砌试验，课题名称：双线隧道软弱围岩双层模筑复合式衬砌试验研究。通过现场量测、土工试验及结构分析，以获取双层模筑复合式衬砌的适用范围、结构设计参数及优缺点，用以指导设计和施工。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,目前，黄土隧道设计、施工的一些理念、思路，指导原则，施工方法和注意事项均吸收了上述研究的精华和成果。,2、侯月线百家垣隧道设计、施工情况 百家垣隧道长344.5m,双线，隧道洞身通过Q2pl黄土质砂粘土地层,最大埋深45m。为铁道部科研试验工点，目的是研究适应老黄土地层的双线隧道衬砌断面以及合理的施工方法。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,百家垣隧道双线老黄土试验支护参数表,隧道施工采用拱部留核心土弧形开挖，正台阶法施工，施工主要以人工开挖为主。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,百家垣隧道开挖步序,3、宝兰二线码头隧道设计施工情况 宝兰二线双线隧道较多，如码头、东口、平套、新玉石嘴1、2号、曲儿岔等隧道，均通过了黄土地层。码头隧道长429m，最大埋深45m。为部科研试验工点，目的是研究适应复杂地层情况下（第四系粘中黄土、细砂、粉土等）的双线隧道采用双层模筑适用性及合理的施工方法。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,双层模筑复合式衬砌试验断面,设计施工方法对通过砂层段采用双侧臂导坑法或CD法施工，其它土质地层采用超短台阶法（留核心土）施工。施工采用拱部环形开挖留核心土超短台阶法。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,3、宝兰二线曲儿岔隧道设计施工情况 曲儿岔隧道出口位于Q4al3新黄土中，下穿既有宝兰铁路，覆盖层后8m左右，既有铁路路堤高17m，设计采用复合式衬砌。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,曲儿岔隧道出口,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,曲儿岔隧道支护参数表,施工图设计在下穿既有宝兰铁路采用的施工方法为台阶法开挖留核心土,拉中槽,拱脚设托梁,先拱后墙法施工，施工图勘测含水量W=10%16.8%。隧道开挖后实测含水量W=21.0%24.1%，比施工图设计值大，土质松软，考虑采用台阶法(环形开挖留核心土)开挖跨度大，初期支护不能及时封闭成环，加上先拱后墙法施工，难以控制地表下沉和拱顶下沉。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,为适应地质条件的变化，确保既有线的运营安全，原设计的台阶法开挖，先拱后墙法施工衬砌变更为CRD法开挖，仰拱超前，先墙后拱法施工衬砌，以减小开挖一次的跨度和高度，快速形成初期支护封闭环，避免先拱后墙法施工可能存在的隐患。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,曲儿岔隧道出口CRD工法,从上述几个工点情况看，以往在设计中，初期支护中喷混凝土较弱，仰拱部位较拱墙为弱，目前已进行了加强。施工方法上，以拱部弧形开挖（留核心土）正台阶法施工为主。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,（二）黄土隧道病害分析 1、陇海线三潼段隧道 陇海线三潼段有双线铁路老黄土隧道13座，均采用三心圆曲墙式尖拱衬砌断面，上下导坑木支撑先拱后墙法施工。建成后，衬砌开裂严重，危及行车安全，后采用钢筋混凝土套拱加固。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,采用先拱后墙法施工时，拱和墙的工序作业一般都是相隔12个月，致使拱圈初期单独受力，与原衬砌设计拱圈的边墙共同作用情况不同，致使发生裂缝破坏，但在边墙做好后即趋于稳定。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,以上说明：土质隧道应优先选用先墙后拱法施工。特殊情况须采用先拱后墙法施工时，在上半断面施工支护完成并进行下部开挖时，拱脚位置应预先采取加固措施，打锁脚锚杆或注浆锚管，防止由于下部开挖拱脚失稳，引起隧道塌坍。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,2、侯月线王家庄等隧道 以往对老黄土隧道一般采用铁一院编制的单线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞门(壹隧0042)，该图的适用条件为：老黄土天然容重=1.61.7g/cm3，粘聚力C=6080Kpa，内摩擦角24。侯月线燕家庄隧道老黄土的物理力学指标满足了该参考图的使用条件，设计使用了该图，施工及运营中结构是稳定的。故在侯月复线设计时燕家庄2号隧道也采用了该图。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,而侯月线另一座老黄土隧道王家庄隧道，其物理力学指标中粘聚力C2240KPa，与该参考图使用条件相差较大，使用了该参考图后，发生了衬砌开裂现象，受影响段长度达70m，并进行了病害整治。以上说明：壹隧0042图的适用条件应严格遵守。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,3、宝中线大寨岭等隧道 大寨岭隧道全长3136m。洞身穿越地层主要为Q1砂粘土层，含砂姜石，结构紧密，土质较均匀，节理发育，其含水率为1626。采用新奥法原理设计，初期支护采用锚喷网支护，喷混凝土厚15cm，二衬采用曲墙带仰拱复合式衬砌结构。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,在施工过程中，隧道进口段衬砌出现开裂，裂缝宽0.20.5mm，深90130mm，局部有错台现象。裂缝产生后，现场进行了贴灰饼观测。并对支护措施进行了调整，对衬砌混凝土裂缝进行了修补。本隧道出现变形和二次衬砌开裂多在埋深较大（120169m）地段和天然含水量20左右、围岩强度较低的地层。由于工期紧，施工进度快，二次衬砌在变形尚未收敛的情况下施做，拆模时间早等原因造成衬砌开裂。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,以上说明：采用新奥法原理设计施工的隧道，二次衬砌的施做时间应严格按监控量测数据分析结果确定，施工过程中及时调整支护措施，控制好拆模时间，以防衬砌开裂，并应设置可靠的防排水措施。,4、神延线翅膀沟隧道 隧道全长1721m。隧道穿越黄土梁峁，最大埋深146m。该段地形起伏，自然坡度4070，山坡高陡，局部成陡壁，植被稀少，黄土陷穴及冲沟发育。采用新奥法原理设计，初期支护采用锚喷网支护，喷混凝土厚1015cm，二衬采用曲墙带仰拱复合式衬砌结构。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,在施工过程中，于1999年10月8日发现隧道衬砌开裂，1999年11月23日发现地表裂缝。随着隧道开挖掘进，洞内衬砌裂缝和地表裂缝不断延伸和加宽。衬砌裂缝宽度还由最初的细纹局部发展成45mm宽,局部地段还伴有少量斜向、横向裂缝及12mm的小错台。地表发现三条裂缝,最长约150m,宽约115mm不等,均为张拉裂缝。施工期间共发现五条地面裂缝,与隧道中线基本平行。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,裂缝产生后，现场多次组织会勘，及时变更设计措施，调整施工工序。我院于1999年12月成立了翅膀沟隧道监控量测组，对洞内及地表变形进行监测。2000年3月与2001年3月先后两次召开翅膀沟隧道病害段专家论证会，对翅膀沟隧道产生病害的原因进行了分析和总结。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,与会专家一致认为：翅膀沟隧道出口段，勘测时认为隧道洞身通过的主要地层为第三系红粘土。施工揭示却发现该段洞身位于第三系红粘土与第四系中更新统老黄土接触带,受第三系红粘土隔水作用影响,两种地层接触带土的含水量较高,软塑至接近软塑状,而且夹一层含水量较高的姜石层，厚1.0m左右，并随红粘土层面一直延伸。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,隧道开挖后造成姜石层的扰动,使围岩土体松弛,产生较大应力调整,对隧道造成挤压变形、衬砌开裂。并在线路靠山侧地表沿老黄土的北西向构造裂隙发生羽状张拉,造成地面开裂。并据此确定了二次衬砌凿槽嵌入全封闭钢架、衬砌背后回填压注水泥砂浆、长、短锚杆注浆加固围岩、衬砌裂缝凿槽嵌补、洞外地表陷穴、裂缝全部夯填处理等病害整治主要工程措施。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,以上说明：隧道洞身通过两种不同土层的接触带时，由于两种土层的物理力学特性不同，往往造成接触带土的工程性质较差，隧道开挖后产生较大应力调整，对施工支护和衬砌结构造成挤压变形，为确保施工及结构安全，对此类土质隧道的施工支护和衬砌结构应加强。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,（三）黄土隧道塌方分析 开挖扰动、支护缺陷、陷穴，施工用水管理不当，会促成塌方。根据对宝中线、神延线、宝兰二线等铁路线路和近年公路隧道的现场经验，目前已施工过的黄土隧道较一般隧道塌方频率高。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,1、神朔线蛇口峁隧道（双线，L=5804m）隧道出口段120m地段拱脚及以上部分位于新黄土地层，埋深1540m。施工采用长台阶法开挖，锚喷支护，设钢架加强，先拱后墙法衬砌。在拱部衬砌已通过百余米，进行下部马口开挖时，发生了大塌方。掉拱38m，清理土方达十多万方，耗时半年多。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,塌方原因：下部马口开挖后，暴露时间较长，未及时进行支护。马口开挖后，拱脚由于开挖前的应力集中和土体受挤压转为应力松弛和土体受破坏。在这种情况下，虽然拱部已衬砌，但马口开挖后，拱脚悬空，自稳时间短，再加上支护不及时，造成塌方。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,2、宝中线庙台子隧道 1991年8月10日，宝中线庙台子隧道在新老黄土交界处发生了伤亡严重的塌方事故。设计采用锚喷施工支护，钢架加强，模筑衬砌，施工则采用构件支撑。过去有人认为，锚喷支护对黄土地层作用不大，而事实上，多次试验和施工检验证明，锚喷支护对黄土隧道不仅非常有效，而且对安全快速施工非常必要，这次事故也充分证明了这一点。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,3、神延线盘石岔隧道 本隧道为黄土质砂粘土地层，设计上洞口有13m偏压衬砌，洞内按锚喷施工支护，模筑混凝土衬砌，先墙后拱法施工。施工时钢架按每米一榀设置，喷混凝土基本达到设计厚度，锚杆裹浆程度差一些。本塌方为洞口仰坡滑塌及洞内塌方两部分组成，根据分析，应为洞内失稳引起仰坡塌方。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,4、神延线二郎岔隧道 本隧道塌方段为黄土质砂粘土，粉土状，含水量小，地表被老乡辟为平地。该段设计采用锚喷施工支护，模筑混凝土衬砌，钢架按每米一榀设置。根据现场和塌体内情况，施工支护基本达到要求。类似的塌方还有王家砭2号隧道、羊马河隧道、翅膀沟隧道等。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,5、神延线长山梁隧道 本隧道塌方段为老黄土，在轨面至隧底处有软塑层，设计采用锚喷施工支护，模筑混凝土衬砌，封闭型钢架按每米一榀设置。根据现场和塌体内情况，施工支护基本达到要求，钢架有所加密（0.60.8m）。由于土体软塑层的影响，两侧拱脚内移使支护失稳造成塌方。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,长山梁隧道塌方示意图,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,6、神延线寺则河隧道 本隧道塌方段为老黄土，设计采用复合式衬砌，钢架按每米一榀设置。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,隧道上半断面支护完成进行下部开挖时，下断面机械开挖长度达70m，土体重新受到扰动，拱脚失稳引起塌方。另外本隧道塌方还受到所通过地段沟谷黄土陷穴的影响。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,寺则河隧道塌方示意图,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,7、老爷岭隧道出口塌方,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,黄土隧道塌方前常有初期支护变形急剧增大，初期支护发生开裂、掉快，钢架声响等征兆，有上述发生时，应迅速撤离人员。当变形不再发展时可采用构件支撑，并迅速衬砌。黄土隧道塌方处理基本以管棚法为主通过，处理时间13个月不等。,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,（一）大跨黄土隧道设计 1、线路方案研究及外业勘察阶段 1）区域地质调查、不良地质调查 在前期线路方案研究阶段，应对隧道可能通过的区域进行大面积的工程、水文地质调查，将本地区的地层结构自上而下基本查清，查清隔水、透水地层和地下水水位等相关水文地质条件，查明黄土滑坡、错落、陡坎位置、范围。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,错落体示意图,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,2）隧道位置的选择、洞口位置的确定 根据初步查明的地质条件，首先初步确定隧道的平面位置，避开黄土滑坡、错落等不良地质；再确定隧道纵断面的位置：尽量将隧道放在基岩中，在黄土地区，特别应避免浅埋、偏压，有条件时尽量将黄土隧道埋深加大，但要防止将隧道放在地下水位以下。在紧坡地段，应结合线路平面设计、纵断面设计优化黄土隧道位置。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,3）隧道位置的进一步判定、优化、线位落地和隧道方案的取舍 在定测阶段，应根据初测的地质调查和钻探情况，对隧道的平纵断面进一步优化，稳定线路方案，使线位落地，并布设钻孔进一步查明隧道的工程、水文地质情况。在方案研究阶段，可对埋深太浅、偏隧道与路基比较进行取舍。在隧道位置确定时，应进行综合地质选线，线路、地质、隧道等专业密切配合，选择合理的隧道洞口和洞身位置。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,Q2eol3,姜石层,原设计岩层分界线,Q3eol3,翅膀沟纵断面图,N2cr,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,2、隧道设计1）隧道方案设计2）洞门景观设计3）衬砌结构设计和结构分析4）防排水设计5）辅助坑道设计6）运营维护设施7）结构的耐久性设计8）动态设计9）环保、水保设计,双线黄土隧道复合衬砌支护参数表,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,3、大跨黄土隧道设计建议 1）初期支护是永久衬砌的重要组成部分。大断面黄土隧道初期支护要有足够的刚度和强度以有效抑制黄土地层的过大变形，防止施工坍方。2）初期支护喷射混凝土拱脚处应适当加厚。3）浅埋新黄土地段隧道拱部可不设置锚杆；老黄土隧道应充分重视锚杆，特别在拱腰和最大跨部位。隧道拱脚、钢架基脚等处设置注浆锁脚锚管，或仰拱钢架进行封闭，以控制基脚变形。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,4）深埋老黄土隧道初期支护钢架可选用格栅钢架或型钢钢架，浅埋新黄土隧道、湿陷性黄土隧道洞口地段采用型钢钢架。5）黄土隧道二次衬砌与开挖面的距离不宜过长，其长度应以不产生过大的施工干扰、经试验确定；自稳性差的黄土地段仰拱应紧跟开挖面施作、及早封闭成环，拱墙二次衬砌施工及时跟进施作。6）黄土地层变形过大或初期支护变形不收敛，又难以及时补强时，可设置临时仰拱或横撑以封闭开挖面，必要时也可提前施作二次衬砌，以确保围岩和支护结构稳定。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,（二）湿陷性黄土地段基底加固及工后沉降的控制 1、黄土湿陷性的含义 天然黄土受水浸湿后，在自重压力或附加压力与自重压力的共同作用下产生的急而显著的下沉，称为黄土的湿陷性。黄土的湿陷性分为自重湿陷性和非自重湿陷性。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,2、湿陷性黄土地基常用的处理方法,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,3、秦东隧道进出口段地基处理方案 在宝中线、神延线、宝兰二线等铁路线，对隧道洞口段（洞门和衬砌结构）的湿陷性处理一般采用三七灰土换填法处理，对地表采用浆砌片石或黏土封闭，阻断地下水的手段。目前，尚无洞口因湿陷性造成急而显著的下沉实例。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,郑西客专秦东等隧道进出口段及斜井进口段均分布有第四系上更新统风积砂质黄土，具自重湿陷性。进口段150m、出口段约60m范围内采用水泥土挤密桩和局部换填方案进行基底处理，以消除湿陷性并提高基底承载力。洞口应有完备的防排水系统，并应提前施做。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,基底加固采用水泥土挤密桩，挤密桩直径0.5m，桩底深至老黄土地层约2m，仰拱底部间距1.21.2 m，边墙底部间距11 m，梅花型布置，明挖段桩顶采用灰土换填，换填厚度仰拱底部厚1m，边墙侧厚约1.90m。,明挖段基底处理示意图,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,暗挖段基底处理示意图,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,（三）大跨黄土隧道施工方案 铁路隧道施工规范(TB10204-2002)关于铁路隧道施工方法分为：全断面开挖法、台阶法和分步开挖法（包括环形开挖留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法、交叉中隔壁法）如下表：,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,上述各施工方法中，对大断面隧道（地下工程）一般化大为小，采用分步开挖法，北京地铁崇文门站采用CRD法施工，将地铁车站分为12块进行施工，北京地铁10号线各车站出入口均采用CD法或CRD法施工，宝兰二线曲儿岔隧道下穿既有宝兰铁路，采用CRD法施工。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,1、环形开挖留核心土法 适用于地层较稳定，但掌子面可能坍塌引起前方围岩失稳的地层，其实际为台阶法的一种，拱部采用环形导坑开挖，利用核心土施压掌子面，下部开挖也是先开挖两侧，保持中部岩柱不动，其核心是保持掌子面稳定；该方法广泛应用于双线黄土隧道和公路隧道的施工，其特点工序简单，施工进度快，但对大跨隧道有一定的安全风险。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,2、CD法 对埋深较大、围岩相对稳定的地层，为减少废弃工程，加快施工进度，可减少开挖分块，采用CD法进行施工，利用中隔壁（钢架喷混凝土）作为立柱承担竖向荷载，以抑制围岩的变形。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,3、CRD法 CRD法是大断面隧道施工的有效手段，是在松软围岩中进行浅埋暗挖的成熟工法，它可以将大跨、超大跨隧道分为若干块进行分步施工，由于将大跨隧道采用网格状支护在横竖向均进行了支撑，支护体系稳定，故控制围岩变形最好，其缺点是工序多，施工进度慢，废弃工程大，投资高。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,4、双侧壁导坑法 双侧壁导坑法是我国大跨隧道施工的传统工法，如以前的三线或四线车站隧道均采用此方法（铁路工程设计技术手册隧道关于双线和多线隧道的施工方法），近年我院在市政隧道和地铁出入口有一些应用。其也是对大跨隧道化大为小，进行分块开挖，两侧壁（钢架喷混凝土）作为立柱承担竖向荷载，以抑制围岩的变形。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,5、洞桩法,双层结构覆土67m左右。结构采用单柱双跨双层拱形结构；拱部初期支护厚350mm，边桩1000mm挖孔桩，拱部及边墙结构厚度为600mm，中板厚550mm，底板厚1000mm，中柱为1000mm钢管混凝土柱。,先边导洞、后中导洞，先下导洞、后上导洞开挖上下六个导洞至纵向贯通,施作条形基础及底纵梁,施作钢管柱、边桩，浇筑顶纵梁及桩顶冠梁,施作上部边导洞内部分主体初支，初支背后回填,开挖结构拱部，预留核心土，施作拱部二衬并扣拱,向下开挖土体至中板下，施作边墙、中板及中纵梁,向下开挖土体至设计标高，施作剩余边墙二衬及底板,V字形开挖，跳槽施工边墙及底板,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,大跨隧道施工工法比较表,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,大断面黄土隧道施工方法的选择原则：进度适宜、安全稳妥、经济合理。对长大铁路隧道来说，采用CRD法和双侧壁导坑法施工是安全稳妥的，但这两种工法工序多，施工进度慢，难以满足长大隧道施工进度要求，且由于废弃工程多，投资昂贵，故难以在长大隧道大段落范围适用；而且合理的设计应在经济性、安全性和施工进度三者之间寻找最佳交点，即不能为安全将结构设计的非常保守，使工程造价十分昂贵，工程工期很长，也不能为了经济和加快施工进度而置安全性不顾。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,秦东隧道在洞口及浅埋偏压地段采用CRD法和双侧壁导坑法进施工，以保证施工安全。而在洞身长大段落，则采用环形开挖留核心土法施工，以加快施工进度，合理控制投资；在安全控制上，将结合科研进行综合分析，对含水量较大、围岩变形不收敛地段可调整为CD法进行施工。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,对黄土隧道而言，采用环形开挖留核心土法，环形导坑一般以人工配小型机械如风镐开挖，下部可采用挖掘机开挖风镐修边；CRD法以小型机械如风镐开挖为主；CD法和双侧壁导坑法各部也需采用台阶法开挖，上部以工配小型机械如风镐开挖为主；中下台阶可采用挖掘机开挖风镐修边。,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见,六、大跨黄土安全施工对策,六、大跨黄土安全施工对策,1、对新黄土（Q3、Q4)地层，其结构疏松，垂直节理裂隙发育。当位于隧道洞口地段时，由于浅埋及偏压，加之埋设浅含水量极小，土体粘结力低，受开挖扰动后，极易延垂直裂隙滑面产生坍塌冒顶现象；在埋深较大地段，由于含水量适中，自稳情况略好一些，但也经常沿裂隙面发生坍塌掉块现象，对施工人员危害很大。该地层中的隧道埋深一般在40m以内，受埋深、含水量、土体结构及土体颗粒影响，其发生塑性变形的可能不大，其坍塌具有突然性，因而应以加强施工支护，减少暴露时间，衬砌应及早施做。防坍塌对新黄土（Q3、Q4)地层关键点。,六、大跨黄土安全施工对策,2、对老黄土（Q1、Q2)地层，根据前述力学及变形特点，在埋深较大地段宜发生屈服形成塑性变形，造成支护结构的开裂和变形，因而应根据监控量测对支护衬砌参数进行调整。在老黄土也经常沿裂隙面发生坍塌掉块，对人员设备形成威胁。另外在该地层也经常发生由于下半断面开挖过长（上半断面初期支护悬空）而造成的大塌方现象。,六、大跨黄土安全施工对策,3、防止黄土隧道坍塌事故发生的一些建议 1）在黄土质砂粘土及新黄土浅埋地层，如洞口段、沟谷段、偏压段，应采用超短台阶开挖，随挖随支，衬砌紧跟，尽量缩短衬砌与开挖距离，减少围岩暴露时间，必要时设超前支护，以安全通过为主要目的。2）黄土隧道施工时应及时发现一些隐患，如地表对线路有影响的陷穴、陷坑应及时回填；对地形偏压、人工回填土层等应谨慎施工；洞内施工时应加强施工支护或进行超前支护。,六、大跨黄土安全施工对策,3）加强施工用水管理，保持洞内排水畅通。如山顶水池应远离线路，以防成为坍塌的诱因。洞内用水管理有序，排水应畅通，严防软化地基出现坍塌。4）位于软塑层上的隧道应及时施做仰拱和封闭钢架，并在施工期间加设横撑，特别是隧底部分，防止钢架内移失稳造成塌方。5）对浅埋的新黄土（Q3、Q4)隧道可以取消锚杆，而对深埋的老黄土（Q1、Q2)隧道应重视拱腰和大跨处的锚杆作用。,六、大跨黄土安全施工对策,6）在施做施工支护时，钢架地基应平整压实，设混凝土垫块，并加设横撑。对部分按先拱后墙施工的隧道，衬砌拱脚也应平整压实，并可考虑设置托梁。7）黄土隧道锚喷施工支护的施工工序，应按开挖、初喷、布设锚杆、挂网或架立钢架、复喷的步骤进行。在第一次开挖完成后，隧道断面位移速度最大，应及时施做施工支护，约束围岩早期变形，防止隧道产生坍塌。,六、大跨黄土安全施工对策,8）黄土隧道在上半断面施工支护完成并进行下部开挖时，拱脚位置应预先采取加固措施，打锁脚锚杆或注浆锚管，防止由于下部开挖拱脚失稳拱架下沉引起坍塌（对锁脚锚管给予高度的重视）。9）黄土隧道的施工，必须注意仰拱超前，严格限制围岩的暴露时间，施工全过程进行监控量测，并对量测数据及时整理分析并反馈到施工中，以确保施工安全。衬砌与上台阶掌子面距离控制在1520。当监控量测收敛变形不收敛时，应加强初期支护和衬砌，并及时衬砌。,六、大跨黄土安全施工对策,10）当隧道土层含水量较大或地层发生变化时，应及时提请设计会勘，并采取相应的工程措施。对已产生塌方的隧道，塌方段衬砌背后空洞必须回填密实，衬砌厚度必须按设计要求施做，以防止留有隐患。11）埋深较大及含水量较大的黄土隧道，不能脱模过早，并要定期检查衬砌拱架和模板台车的刚度，以防止因其变形造成衬砌开裂。,